蛋鸡GTEx资源揭示产蛋阶段特异性调控对繁殖性状的影响

《Nature Communications》：Egg-laying ChickenGTEx resource deciphers context-specific regulatory effects on fertility traits

本研究针对蛋鸡繁殖性状遗传调控机制不清的问题，通过构建产蛋阶段特异性ChickenGTEx资源，系统解析了HPG轴和肝脏组织中基因表达的动态调控网络。研究发现60.02%的阶段互作eQTL受细胞组成、转录因子和共表达网络介导，并通过共定位分析鉴定出124个与繁殖性状相关的候选基因。该资源为理解脊椎动物繁殖性状的遗传调控提供了重要见解，发表于《Nature Communications》。

　　

鸡作为重要的农业经济动物和生物医学模型，其繁殖性能的遗传改良对全球食品安全和人类健康研究具有重要意义。蛋鸡的产蛋过程分为前产蛋期、产蛋高峰期和产蛋后期三个阶段，这一过程主要受下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴的内分泌调控。尽管全基因组关联研究（GWAS）已鉴定出大量与繁殖性状相关的基因位点，但大多数位于非编码区域，其分子机制仍不清楚。系统解析基因调控变异（如表达定量性状位点，eQTL）已成为阐明复杂性状遗传基础的关键途径。

人类基因型-组织表达（GTEx）计划为探索复杂性状的遗传机制提供了重要框架，FarmGTEx联盟将该框架扩展到牛、猪等家畜。近年研究发现基因调控高度依赖于特定的生物学背景，如发育阶段和细胞类型组成。尽管ChickenGTEx试点阶段已识别组织特异性调控效应，但公共数据存在质量不一致、缺乏配对全基因组测序（WGS）数据以及元数据注释不足等局限性，阻碍了对背景特异性调控效应的全面解析。

为解决上述问题，研究人员在《Nature Communications》上发表了题为"Egg-laying ChickenGTEx resource deciphers context-specific regulatory effects on fertility traits"的研究。该研究构建了精心设计的产蛋阶段特异性ChickenGTEx资源，收集了358只母鸡在三个产蛋阶段的四个组织（HPG轴和肝脏）的1,272个RNA-seq样本，并生成了配对的深度全基因组测序数据（平均26.42×）。通过系统识别跨组织和产蛋阶段的调控效应，研究人员探索了介导阶段特异性调控效应的潜在因素，并与大型鸡群体（n=12,952）的GWAS结果整合，揭示了阶段特异性调控效应在解析繁殖性状分子机制中的重要性。

研究采用的主要技术方法包括：从商业白洛克鸡群体中采集组织样本并提取RNA进行测序；利用全基因组测序数据鉴定变异；通过低深度测序技术对12,952只鸡进行基因分型；使用tensorQTL进行分子QTL（molQTL）定位；采用SuSiE方法进行精细定位；运用MashR进行meta分析；通过CIBERSORT进行细胞比例反卷积；利用WGCNA构建共表达网络；使用GCTA进行GWAS分析；通过coloc进行共定位分析。

基因表达谱 across 组织和产蛋阶段

研究人员在 hypothalamus、pituitary、ovary 和 liver 中分别鉴定出2,256、938、2,658和1,972个组织特异性表达基因，这些基因的功能与相应组织的已知生理功能一致。时间进程分析揭示了六个具有不同表达模式的基因簇，其中HPG轴在产蛋高峰期表达模式相似的基因中表现出更高的基因表达相似性。卵巢在高峰期和后期显示出最多的阶段特异性表达基因，这些基因显著富集于对外界生物入侵和免疫功能的应答。

分子QTL的发现与精细定位

研究发现83.21%的测试基因、66.68%的选择性剪接基因、51.68%的外显子和54.15%的增强子受到至少一个遗传变异的显著调控。eQTL的效应大小与次要等位基因频率（MAF）和基因的模块连通性（kME）呈负相关，表明大效应eQTL可能受到负选择压力。精细定位分析显示，83.53%的eGenes、75.34%的eEnhancers、75.41%的exGenes和77.39%的选择性剪接事件至少有一个可检测的置信集（CS）。

分子QTL的组织共享模式

约50%的molQTL在所有组织中共享，而约20%仅在单个组织中检测到。组织特异性eGenes的顺式遗传力（cis-heritability）和效应大小低于组织共享eGenes。研究人员还引入了组织间基因表达比率这一分子表型，发现35.05%的erQTL受到不同于相应eQTL的遗传因素影响。

产蛋阶段特异性调控效应

通过MashR meta分析，研究人员发现65.27%至77.83%的molQTL在三个产蛋阶段间共享。阶段特异性eQTL在组织间的效应大小相关性显著低于阶段共享eQTL，且阶段特异性eGenes倾向于具有组织特异性。阶段互作molQTL映射鉴定出1,289个阶段互作eGenes，其中多数表现出强烈的组织特异性。

阶段互作eQTL的生物学介导因素

通过去卷积分析获得细胞比例后，研究人员使用中介分析探讨了阶段特异性ieGenes与三种生物学背景（细胞组成、转录因子和共表达模块）的关系。研究发现60.02%的阶段特异性ieGenes显著介导于至少一种生物学因素，其中52.78%由转录因子介导，32.84%由共表达模块特征基因介导，12.60%由细胞组成介导。

复杂性状的遗传调控解析

GWAS分析鉴定出100个与繁殖性状相关的位点，其中53%与至少一个molQTL共定位（PPH4>0.8）。值得注意的是，15%的由eQTL解释的GWAS位点只能与阶段特异性或阶段互作eQTL共定位。例如，PIK3R1通过卵巢中的剪接QTL而非基因表达影响EN210-400，而AMH在卵巢中的eQTL仅在产蛋前期与EN210的GWAS位点共定位。

鸡与哺乳动物繁殖调控的共同基因

研究人员发现，与鸡AFE共定位的基因的人类直系同源物在初潮年龄和自然绝经年龄的遗传力富集中显著富集。此外，鸡繁殖相关候选基因在猪和牛的雌性生育力相关QTL区域中也显著富集，表明繁殖性状的遗传调控在脊椎动物间存在一定程度的保守性。

研究结论与意义

本研究建立的产蛋阶段ChickenGTEx资源为解析蛋鸡产蛋阶段的阶段特异性调控及其对复杂性状的影响提供了宝贵资源。相比基于公共数据集的ChickenGTEx试点阶段，本研究在HPG轴中检测到更多的分子QTL，并深入探讨了跨三个产蛋阶段的阶段特异性调控及其与其他生物学背景的互作。通过整合molQTL与复杂性状GWAS，研究人员阐明了阶段特异性调控对复杂性状的贡献，鉴定了124个候选基因及其相应的组织、分子表型和功能活跃的特定产蛋阶段。

研究还发现eQTL效应大小与等位基因频率和模块连通性呈负相关，反映了进化约束有助于维持核心调控网络的稳定性。组织特异性eGenes与跨组织差异表达基因显著重叠，表明部分组织特异性基因表达可能由组织特异性调控变异引起。阶段特异性或互作QTL表现出高度的组织特异性，提示在个体发育过程中，组织特异性功能和细胞微环境可能促进组织和阶段特异性调控效应的出现以支持功能适应。

该研究的局限性包括GWAS在单一商业鸡群体中进行，个体间高度亲缘关系导致有效群体大小有限；分析的组织类型有限；样本量限制了对trans调控的探索；以及基于去卷积的方法需要单细胞数据进一步验证。

总之，该研究为推进对鸡及其他脊椎动物繁殖性状调控的理解提供了有价值的资源和见解，突出了使用鸡作为模型研究其他物种复杂性状的价值。研究揭示的繁殖性状调控基因在包括人类、猪和牛在内的哺乳动物中的潜在保守性，进一步强调了这一资源的重要性。